半导体物理课件1-7章(第七章)

*阻挡层的整流特性和整流理论
21
22
7.2.1 扩散理论
qN
0
D
(0 x xd ) (x xd )
d 2V
dx 2
r 0
d 2V dx 2
qN D
r 0
0
(0 x xd ) (x xd )
|
E(
xd
)
|
dV dx
x xd
0
V (0) ns
E dV dx
则在xm处的电势降落q
q
q ns
q
* ns
qns (q)V ( xm )
q2ND
r 0
xm xd
1 4
[2q27 Nr3D03
(VD
V
)]1/ 4
V V
0时 0时
q减小 V 理想 q增大 V 偏离理想
可见反向偏压和掺杂较高时将导致势垒最高点
降落值q增大
q J反向
金属一边有效势垒高度
V
E(x) dV dx
(x)
qN D r0
( xxd
qN D
r0 1
2
(x xd )
x2
1 2
xd2
)
V (0) Vs ns
xd
2r0Vs
qN D
xd
2r0[(Vs )0 V ]
qN D
2r0[VD V ]
qN D
27
28
29
30
31
XJd>>lnJ时S：D
(E0 Ec ) (Ec EFs )
En
电子亲和势 E0 Ec 3
半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量
接触电势差
E0
Ws
χ
Wm
En
Ec (EF)s
EFm
Ev
q(V's Vm ) Wm Ws
•金属和半导体间距离D远大于原子间距
Vms
Vm
Vs
Ws
Wm q
•随着D的减小，空间电荷增加，能带弯曲
•空 穴 电 流 大 小 ， 取 决 于阻挡层的空穴浓度 。 •平衡时，如果接触面处有
[EF Ev (0)] (Ec EF )
•此时若有外加电压，p(0)将超过n0，则空穴 电流的贡献就很重要了。
• 加正电压时，势垒两边 界处的电子浓度将保持平 衡值，而空穴在阻挡层内 界形成积累，然后再依靠 扩散运动继续进入半导体 内部。
EFm Wm
半导体一侧势垒：qVD = Ws -Wm
E0 χ
Ec Ws
EFs Ev
金属与p型半导体接触时，空穴从半导体流 向金属。在半导体体表面形成负的空间电荷 区，能带向上弯曲。形成空穴势垒，p型阻 挡层。
Wm EFm
E0 χ
Ec Ws
EFs Ev
金属与p型半导体接触时，
，空穴从
金属流向半导体。在半导体体表面形成正的
表面能级： 与表面态相应的能级称为表面能级
受主型表面态： 表面能级接受电子后带负电 施主型表面态： 表面能级释放电子后带正电
•表面态特点:
（1）密度很高，在禁带中分布不均匀。
（2）由悬挂键、杂质、缺陷等因素产生，它们 一般具有双性行为，接受电子表现为受主型， 反之为施主型。
（3）在半导体表面禁带中存在一个距离价带顶 为qФ0的位置。EF=qФ0时，表面态呈电中性。 EF<qФ0时，表面态带正电，呈现施主型； EF>qФ0，表面态带负电，呈现受主型。
空间电荷区，能带向下弯曲。形成空穴势垒
，p型反阻挡层。
（1）金属-n型半导体接触 （2）金属-p型半导体接触
7.1.3 表面态对接触势垒的影响:
•实验表明：不同金属的功函数虽然相差很大，但 与半导体接触时总是形成阻挡层，而且势垒高度 相差很小。 •原因：半导体表面存在表面态。
表面态： 晶格周期性在表面处中断或其它因素而 引起的局（定）域在表面附近的电子态
7.3.1 少数载流子的注入
•n型阻挡层，体内电子浓度
为n0，接触面处的电子浓度 是
n(0)
n0
exp(
qVD k0T
)
•电子的阻挡层就是空穴积累
层。在势垒区，空穴的浓度
在表面处最大。体内空穴浓
度为p0，则表面浓度为
p(0)
p0
exp( qVD k0T
)
•加 正 压 时 ， 势 垒 降 低 形成自外向内的空穴 流，形成的正向电流 与电子扩散电流方向 一致。
（1）金属-n型半导体接触
Wm>Ws时，n型半导体表面形 成正的空间电荷区，电场由体内指向表面，
Vs<0，能带从内到外 向上弯曲，金半接
触形成的空间电荷
层载流子浓度低于
体内，被称为阻挡
层。
金属一侧的势垒 qφns = Wm -χ
界面
半导体一侧的势垒 qVD = Wm -Ws
qφns
qVD EF Ec
J
exp{4
(
mn* R
q2h2N
0 D
1
)2
q(VD
V
)}
Rc
exp{4
(
mn*
h
R
2
0
)
1 2
VD
1
}
N
2 D
q
* ns
qns
q
半导体侧有效势垒高度
q
q ns
q
* ns
qV
* D
q(VD
)
n镜向力导致反 向特性不饱和
（1）势垒高度 （2）隧道厚度
v 隧道穿透的临界厚度为xc，当半导体一 边的势垒厚度 x<xc 时，势垒对电子完 全透明 —隧道穿透
qV ( xc )
qns
q2ND
r 0
xd xc
实际的金属-半导体欧姆接触是利用隧道效 应,而不是反阻挡层。
•隧道效应： •重掺杂（ND>1019 cm-3）的半导 体与金属接触时，则势垒宽度 变得很薄，电子通过隧道效应 贯穿势垒产生大隧道电流，甚 至超过热电子发射电流而成为 电流的主要成分。 •提高半导体的掺杂浓度，势垒 变薄，可获得大的隧穿几率， 即可形成接近理想的欧姆接触
x
fdx
q2
16 0 x
2
q2 3
160r x
EFm
q
q ns
q
* ns
qV
x *
q2
16 0
r
x
qV
x
代入公式（7-13）
q2
16 0
r
x
q
qN
r
D 0
xxd
1 2
x2
ns
4
q
q ns
q
* ns
xm
1
4NDxd
1 2
5
相应地
qV xm
qns
q2ND
r0
xm xd
将5代入4式
nqVD=-qVs≈ Eg- qФ0-En
高密度表面态：
Ws qVD En Eg q0 qns
当半导体的表面态密度很高时，由于它可以屏蔽金属接触的影 响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本 由半导体的表面性质决定，接触电势差全落在两个表面之间。
能带弯曲量:qVD=EFs-qΦ0 与金属的性能无关
优点：1）接触电阻小；
2）对掺杂浓度的起伏不敏感。
•接触电路：零偏压下的微分电阻
Rc
(
I V
) 1 V 0
•有 外 加 电 压 时 ， 势 垒 宽 度 为 d ， 表 面 势 为
[(Vs)0+V]，VD=-(Vs)0则隧道概率
P
exp{4
(
mn* R 0
h2ND
)
1 2
[(Vs
)0
V
wenku.baidu.com]}
•总隧道电流与隧道概率成正比
（4）对于大多数半导体材料，qФ0约为禁带宽度 的三分之一。
Ф
无表面态时：Ws En 有表面态时：Ws qVD En
费米能级表面钉扎效应:由于表面态密度很高，EF与 qΦ0的微小偏离就会产生大量表面电荷导致能带发 生弯曲，结果使EF与qФ0的偏离减小。这种负反馈 作用使EF被钉扎在qФ0附近。
qns
[
2q3N
r 0
D
(VD
V
1
)]2
xc
[
2q3 N
r 0
D
(VD
1
V )]2
xc
7.2.4 肖特基势垒二极管：
•1938年，W. Schottky以金属和半导体功 函数差为基础，利用金属-半导体整流接 触特性，提出了肖特基势垒二极管整流 理论。与pn结具有相似的伏安特性。
7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
Ev
电子阻挡层
EFm Wm
Ws χ En
E0
Ec EFs
Ev
界面 电子反阻挡层
Ec EF
Ev
XD
qVD = Ws -Wm
金属与n型半导体接触时，电子从金属流向 半导体。在半导体体表面形成负的空间电荷 区，Vs>0,能带向下弯曲。空间电荷区电子 浓度远大于体内，形成高电导区域，称为反 阻挡层。
（2）金属-p型半导体接触
•因 为 平 衡 值 p 0 很 小 ， 所 以 相对的空穴累积就很显著 。但是空穴电流依赖于空 穴的扩散效率。
加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少
数载流子的注入比，用γ表示。 对n型阻挡层而言 J p / J J P /( J P J n )
7.3.2、欧姆接触
欧姆接触：金属和半导体形成的不产生明显的 附加阻抗，不引起半导体器件特性发 生明显改变的非整流接触。理想的欧 姆接触是指阻抗为零的接触。
金属与半导体接触及其能级图 金属半导体接触整流理论 7.3 少数载流子的注入和欧姆接触
金属与半导体接触及其能级图
金属和半导体的功函数
E0 真空电子能级
金属功函数 Wm E0 EFm 1
金属中的自由电子克服金属内部势垒束缚，
逃逸金属表面所需要的能量。
令 En =Ec - EFs
半导体功函数 Ws E0 EFs 2
Ws
Wm q
Vms
Vs
Vs是半导体表面与体内的电 势差，称为表面势。
qVD = – qVs
D小到可以与原子间距相比较,可以忽略时
Ws
Wm q
Vs
VD
★导带底电子向金属运动 时必须越过的势垒高度：
qVD = Wm – Ws ★金属一侧电子运动到半 导体一侧需要越过的势垒 高度：
qφns = qVD+En=-qVs+En=Wm - χ
e
qV k0T
1
其中J SD
2qN D
r0
VD V
qVD
e k0T
1随外加电压而变化 J ST 2对温度的敏感程度不如J ST
XJd<<Jln时ST： e
qV k0T
1
其中
J A T e *
2
qns k0T
ST
1与外加电压无关 J ST 2对温度很敏感
f
q2
40 2
x
2
1
产生的电子附加势能为